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1、河北工业大学 硕士学位论文 磁流变技术在加速度传感器中的应用 姓名：梁静娟 申请学位级别：硕士 专业：电工理论与新技术 指导教师：杨庆新 20061101 河北工业大学硕士学位论文 I 磁流变技术在加速度传感器中的应用 磁流变技术在加速度传感器中的应用 摘 要 摘 要 磁流变液是近几年发展起来的一种新型智能材料，在外加磁场作用下可在毫秒时间 内由牛顿流体转变为黏度、屈服应力较高的智能流体，且这种变化可控、连续、可逆。 因此，它有着广阔的应用前景。 本文将磁流变技术应用在加速度传感器中， 对磁流变液的产生机理及其应用进行了理 论分析， 利用有限元分析软件建立加速度传感器的悬臂梁结构模型， 分析了
2、悬臂梁结构设 计对加速度传感器的影响， 对其工作原理进行了分析。 推导了磁流变加速度传感器的计算 公式， 通过分析得出可以通过外加控制电流来控制磁场的大小， 进而根据理论公式的得出 加 速 度 值 的 大 小 。 对 传 感 器 系 统 进 行 了 电 学 特 性 及 动 力 学 特 性 分 析 ， 利 用 MATLAB/Simulink 软件对加速度传感器的整个控制系统进行了建模与仿真分析，得到比 较理想的控制结果。最后，分析了磁流变传感器磁路设计的基本原理，讨论了磁力线在阻 尼间隙的方向、导磁材料的选择、以及阻尼间隙尺寸的设计。设计了用来产生控制和激活 磁流变液所需的磁场的磁路， 并对磁路
3、的磁场进行了建模及有限元仿真分析， 论证了磁流 变技术用于加速度传感器是可行的。 关键词：关键词：磁流变液，磁流变技术，阻尼器，阻尼控制技术，加速度传感器 磁流变技术在加速度传感器中的应用 II APPLICATION OF MAGNETORHELOGOCAL FLUIDS TECHNOLOGY IN ACCELEROMETERS Abstract Magnetorheological(MR) fluid is regarded as a new smart material developed during these years. It can be transformed from th
4、e Newton fluid into the viscoplastic solid with finite yield shear stress within millisecond when a magnetic field is applied, and the transformation is controllable, continual and reversible. Therefore, it can be used in many fields. As a new technique, much work is needed to theoretically study it
5、s principle and application. In this paper, magnetorheological fluid technology is applied in accelerometers, the structure of cantilever is designed by finite element analyzing software, the effect of the cantilever structure on accelerometers is analyzed. Its working principle is analyzed too, the
6、 functions of the MR accelerometer are deduced and the modeling and simulation analysis of the whole control system are given by using MATLAB/Simulink, the result is in accord with the expected. Finally, the basic principle of designing magnetism circuit of MR accelerometers is analyzed, the distrib
7、ution of the magnetic flux, the chosen of magnetizer and the dimension designing of damping gap are discussed. The magnetism circuit is designed, the finite element analysis of the magnetism circuit are given also, so as to improve the reality feasibility of MR accelerometers. Keywords: magnetorheol
8、ogical fluids (MRF), magnetorheological technology, damper, damper control technology, accelerometer 原创性声明原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公 开发表或者没有公开发表的作品的内容。 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 关于学位论文版权使用授权的说明关
9、于学位论文版权使用授权的说明 本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。同意如下各项内 容： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和 电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索 以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务； 学校有权按有关规定向国家有关部门或者 机构送交论文的复印件和电子版； 在不以赢利为目的的前提下， 学校可以适当复制论文的 部分或全部内容用于学术活动。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章 绪 论
10、 第一章 绪 论 1-1 磁流变液的概况 1-1 磁流变液的概况 智能材料及器件是当今高新技术信息材料研究的主要方向之一1。由于智能材料在许多重要工程 和尖端技术领域有巨大的应用前景，而且涉及到材料科学、液态物理学、高分子化学、力学、计算机 及自动化控制等多门学科，因此它的研究和突破将带动诸多领域里的技术进步。该材料的应用可以解 决当前工程中的一些难于解决的实际问题，近年来受到美、日、英、德等发达国家的高度重视，并投 入了巨大的财力和物力开展这方面的研究。美国军方已将智能材料与结构列为最优先发展项目。美国 空军提出它是下一代歼击机的关键技术。 迄今为止，自适应系统依赖于三种基本类型的智能材料，
11、它们分别是电（磁）致伸缩材料、形状 记忆合金和电（磁）流变液。 磁流变液的出现可以追溯到十九世纪四十年代，比发现电流变液更早，当时人们在实验过程中发 现，向流体中加入某些可磁化的分散性微粉，在磁场的作用下磁流变液能够在 1ms 之内从液态变成固 态，当磁场移去之后，又立即恢复液态。进入本世纪以来，大多数科研人员都把精力放在了电流变流 体的开发和应用上。但由于电流变液需要几千伏的工作电压，在安全性和密封性上电流变液存在严重 的问题。而磁流变液的剪切应力比电流变液大一个数量级，并且具有良好的动力学稳定性和温度稳定 性，因而比电流变液具有更加优越的性能，近年来备受关注。 1-2 磁流变液的应用 1-
12、2 磁流变液的应用 磁流变液的这些优良特性使其具有了广阔的应用前景2。因此近年来受到一些发达国家国防部门 和工业部门的高度重视，为此投入了大笔科研经费，使这项研究已经接近商业应用的阶段。在航空航 天、机械工程、汽车工业、精密加工、建筑工程、医疗卫生等领域应用广泛，可完成智能传动、制动、 减振、降噪等功能，制成阀式、剪切式和挤压式各类磁流变液器件，如液压控制伺服阀、离合器与制 动器、振动悬架、减振等。还可以用于假肢、抛光、洗衣机、阀等。磁流变液将使工业和技术的若干 部门出现革命化的变革。 磁流变液的应用范围可以分为两大类：一类是液体阀门，另一类是制动器（离合器） 。 磁流变液器件最重要的核心是磁
13、流变节流阀（magnetorhological throttle Valve, MRTV） ，其功能相 当于一个可控的液压流阻，当液体流过节流阀且在流体的垂直方向施加外磁场时，其表观粘度系数改 磁流变技术在加速度传感器中的应用 变，磁流变液器件的最简单形式是由液压缸，软绝缘管和 MRTV 组成的液动循环管路，MRTV 可在流 动力循环管路中插入活塞或者作为一个分立的元件来使用安装。 最通用和直观的磁流变器件是磁流变阀（MR Valve） 。磁流变阀可通过改变器件临界截面的外磁 场来控制压力降和 MRF 的流动，磁场强度是通过流过磁芯的电流来控制的，典型的最简单的磁流变 节流阀由主阀部件（圆柱塞
14、） 、2 个流动环、1 个外套、压片和密封垫圈组成。流体在主阀部件和流动 圈之间的 2 个液压通道中流动；与此同时，在垂至于流动的方向上施加磁场，磁场是在主阀部件周围 的螺线管上缠绕铜线而产生，产生磁场的大小依赖于所能通过的最大电流和磁芯上绕组线圈的圈数。 为了不引起系统的漏磁，可通过严格的有限元法对磁路进行精细的设计。只有主阀部件、流动圈和外 壳才由具有高磁导率的磁性材料（如 ANSI1018 钢）组成，剩下的部件应由低磁导率的非磁性材料组 成。 磁流变阀门可以制成减震装置，活塞缸和阀门形成回路，在一定磁场下流体变为类固体，活塞就 受到很大的压力，计算机可以自动选取最佳电流，控制阀门的关闭程
15、度，吸收车辆、电机底座等处的 振动。美国的联邦铁路局已经启动全国磁悬浮列车的研究计划，用于列车减震的磁流变液已经列入该 计划的材料开发研究之中。美国、日本、德国等还特别注重在汽车上使用磁流变液。有的汽车公司已 把磁流变液减震器装在轿车上进行实验。汽车振动剧烈时，驾驶员一般是通过加速或减速，使振动频 率偏离汽车的固有频率（共振频率）来降低汽车的振动，而主动式磁流变液减震器则是反其道而行之， 即通过改变磁流变液的粘滞系数而改变汽车悬置系统的共振频率，达到减小汽车剧烈振动的目的。这 类减震器没有运动部件，流动液体的体积液也很小，声音也很轻。有人还提出，在高层建筑或者核反 应堆的地基中放置大量这类磁流
16、变液减振装置形成阵列，在有狂风时使磁流变液固化，增强建筑物的 抗风能力，而在地震时使磁流变液液化，让建筑物浮在上面，以获得最好的抗地震效果。 形成桥路的四单元或二单元的电流变液阀门网络系统，可以控制机器人手臂或飞行控制阀的伺服 机构，在四单元的情况下，液体由油泵强迫流通，两个独立的电流源及相应的反馈回路控制两对磁流 变液阀门的关闭或开启，指导手臂中的活塞向上或向下运动，从而牵动机器人的手臂。这种伺服机构 可以广泛用于航天器、飞机、舰船、潜艇、核反应控制系统和其他任何需要高性能伺服机构的通用工 业场合。在通常的液压飞行器控制系统中，伺服机构耗资巨大，质量又大，且不可靠，伺服机构如采 用磁流变液系统，则具有以下优点：易于制造、结构简单、装配容易，故价格降低；由于液体较少， 阀体轻便，故总体质量大大减少；由于对自身的污染不敏感，设计简单，又无运动部件，所以极为可 靠；其动作频率可以高达 1000Hz，而现有的机构仅为 50Hz。 磁流变液阀门还能在造纸机、印刷机、汽轮机、飞机叶轮等旋转机械的平衡过程中大显身手
